基于磁阻技术的AMR磁传感器原理和优势

传统的磁传感器利用霍尔效应来感测磁场的强度和方向。近年来，随着磁阻（Magnetic Resistance）技术的逐步发展和成熟，无论在消费类还是在汽车和工业类市场上，越来越多的产品开始使用基于磁阻技术的磁传感器。

1 AMR磁传感器的原理和优势

某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应。磁阻技术主要包括各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）。

各向异性磁电阻（AMR）效应是指当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻不随外加磁场变化而发生改变；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移，电阻降低。各向异性磁阻的磁场作用效果如下图：

AMR磁传感器的基本结构是由四个磁阻组成了惠斯通电桥，其中供电电源为Vb，电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加；

而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出电压差信号，可以得到外界磁场值。

基于各向异性磁阻（AMR）技术的磁传感器具有以下优势：

●     AMR磁传感器具有高频、低噪和高信噪比特性，性能远高于传统的霍尔传感器；

●     AMR磁传感器在地球磁场范围内性能优良，且不随温度变化，指南针应用，测量精确度可达1度；

●     AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上；  

●     AMR技术只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低。

2 世界已知最小尺寸AMR磁传感器

美新半导体（MEMSIC）最新一代的磁传感器MMC5603NJ是基于先进的AMR技术的单芯片集成的三轴磁传感器，晶圆级封装, 是世界上迄今已知最小尺寸（0.8x0.8x0.4mm）的磁传感器。多项美新所独有的新技术和新工艺被应用在MMC5603NJ这颗磁传感器上。

1、高度集成的单芯片设计

早期的MEMS磁传感器需要两个MEMS的Die(一个感测X/Y轴的磁场，另一个感测Z轴磁场)和一个用来处理信号的ASIC的Die。这样的设计结构复杂、体积大、且成本高。随着设计和制造工艺技术的进步，Die体积越来越小，但一般还是需要一个MEMS的Die和一个ASIC的Die。
 

美新采用专有的技术，将MEMS技术和标准的CMOS工艺完美结合，直接在ASIC材料表面集成了AMR磁阻材料，并采用独创的斜坡结构来感测Z轴方向的磁场信号。这样高度集成的单芯片设计，并采用了晶圆级的封装，铸成了业界最小尺寸的三轴磁传感器。

2、数倍或数十倍领先于同级别产品 

磁传感器在电子设备中最常见的应用是感测地球磁场的方向，我们将此应用称为电子罗盘（eCompass）。电子罗盘容易受到周围环境中各类的软磁和（或）硬磁的磁场干扰而造成方向失准。

对此，美新在软件方面提供了成熟的、可定制的算法来校准方向。然而，当干扰磁场非常大的时候，磁感应元件内部会残留明显的剩磁，软件校准算法对此无能为力；

MMC5603NJ在芯片设计上使用了Auto Set/Reset的机制。此机制是在磁感应元件的敏感极上进行正反两个方向上的成对操作，可以消除磁传感器内部固有的offset，并且抵消时间、温度等变化等因素带来的漂移。

MMC5603NJ的温漂只有±0.01μT/℃，远低于同类产品。因此，MMC5603NJ能在各种苛刻的使用环境下保持始终如一的测量精度和稳定可靠的性能。

此外，MMC5603NJ还提供了20/18/16位的可选择的灵敏度，最高可达1000Hz的数据输出速率，RMS噪声水平最低为0.15μT，磁滞仅为0.02%，使得快速校准甚至免校准的电子指南针成为可能...

以上主要性能参数，与市场上同级别产品相比较，MMC5603NJ保持数倍或数十倍的领先。

3 小结

美新深耕磁传感技术多年，在基于AMR技术的磁传感器的设计、制造和应用等方面积累深厚,并且还首创将高性能的AMR磁传感器引入智能手机市场。

作为全新一代基于AMR技术的三轴磁传感器，美新的MMC5603NJ已广泛应用于智能手机、平板电脑等众多消费类电子产品中，也是目前全球出货量最大的基于AMR技术的磁传感器之一。

编辑：hfy